新工科下的“理虛實(shí)一體化”《焊接機(jī)器人》課程教學(xué)改革探索

陳宇　肖逸鋒　李湘文

摘要：基于焊接新工科模式下新的人才培養(yǎng)目標(biāo)，文中通過研究《焊接機(jī)器人》課程新方向、新模塊的特點(diǎn)，更新教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)課程體系，建立項(xiàng)目式任務(wù)驅(qū)動(dòng)的“理虛實(shí)一體化”新工科教學(xué)體系，將理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真和實(shí)踐操作相互促進(jìn)，融為一體，真正做到在學(xué)中做、做中學(xué)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：新工科;理虛實(shí)一體化;焊接機(jī)器人

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0104-

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.22

0 前言

焊接機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車、航天、船舶、機(jī)械加工、電子電氣、食品加工及其他諸多相關(guān)制造領(lǐng)域中，并作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，成為衡量一個(gè)國家制造水平和科技水平的重要標(biāo)志之一[1-2]。焊接機(jī)器人在各國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用比例中占25%～50%，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為發(fā)展趨勢(shì)[1-4]。

新工科是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，緊緊圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系全面開展。其內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[5-6]。這使得傳統(tǒng)的焊接技術(shù)人才面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但同時(shí)也為焊接技術(shù)人才的革新帶來了良好的機(jī)遇[7]。我國許多高校焊接專業(yè)紛紛建設(shè)了焊接機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐，鞏固所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。同時(shí)各高校教師針對(duì)《焊接機(jī)器人》課程的教學(xué)進(jìn)行了大量的嘗試，文中在對(duì)當(dāng)前《焊接機(jī)器人》課程教學(xué)存在的問題充分分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出“理虛實(shí)一體化”新工科教學(xué)體系，更新教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)課程體系，以期對(duì)《焊接機(jī)器人》課程的教學(xué)質(zhì)量起到積極的效果。

1 《焊接機(jī)器人》課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)內(nèi)容難度過高

《焊接機(jī)器人》是一門多學(xué)科交叉融合的課程，涉及機(jī)械、數(shù)學(xué)建模、電工、語言編程等綜合知識(shí)，學(xué)生需要積累多門課程的理論知識(shí)及豐富的設(shè)備實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)才能應(yīng)對(duì)機(jī)器人焊接生產(chǎn)中碰到的各種狀[8-9]。而傳統(tǒng)人才培養(yǎng)方案對(duì)學(xué)生的交叉學(xué)科融合信息能力重視不夠，且焊接機(jī)器人方面的教學(xué)資源匱乏，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和實(shí)操的掌握程度較低，難以形成相應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)框架，可能會(huì)適得其反。

1.2 教學(xué)方法過于陳舊

由于我國的機(jī)器人教育起步較晚，教學(xué)資源相對(duì)滯后，可供查閱的專業(yè)資料有限，師資力量薄弱，很多學(xué)校的教學(xué)采用的是傳統(tǒng)的演示性教學(xué)，重理論、輕實(shí)踐。雖能夠讓學(xué)生獲取對(duì)焊接機(jī)器人應(yīng)用的感性認(rèn)識(shí)，但無法實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用?！袄碚?實(shí)操”的分段式教學(xué)已不適合新工科背景下《焊接機(jī)器人》課程的教學(xué)。

1.3 教學(xué)設(shè)備昂貴

焊接機(jī)器人工作站價(jià)格昂貴，一套工作站價(jià)格在三十萬元左右，焊接機(jī)器人在線編程需要每位學(xué)生一臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行操作編程與示教，對(duì)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地的水電要求非常高及資金投入很大。一般高?？紤]設(shè)備使用率及價(jià)值情況，購買的設(shè)備臺(tái)套數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生正常的使用需求。我院依托焊接機(jī)器人與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室購置了日本松下TM1400，ABB，庫卡、埃斯頓等品牌機(jī)器人用于教學(xué)科研，但由于數(shù)量少，且各品牌機(jī)器人操作方式不同，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中難以滿足學(xué)生使用需求。隨著《中國制造2025》的實(shí)施，機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用迎來了飛速發(fā)展，機(jī)器人仿真技術(shù)及離線編程技術(shù)日漸成熟，部分知名機(jī)器人廠家都開發(fā)出相應(yīng)的離線編程軟件，在一般電腦上就可以進(jìn)行各種焊接機(jī)器人仿真編程應(yīng)用及虛擬軟件的開發(fā)，提高了學(xué)生對(duì)新技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，為焊接機(jī)器人教學(xué)理實(shí)一體化奠定了基礎(chǔ)。

2 《焊接機(jī)器人》課程理虛實(shí)一體化體系構(gòu)建

2.1 新工科下理虛實(shí)一體化理念

新工科背景下為了實(shí)現(xiàn)新的人才培養(yǎng)目標(biāo)，需要新的思維、新體制機(jī)制、 全面創(chuàng)新工科（程）教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，引領(lǐng)發(fā)展?；趹?yīng)對(duì)變化、塑造未來、主動(dòng)變革的新理念，各高校都在積極探索新的教學(xué)模式，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新科技的快速發(fā)展，理虛實(shí)一體化的教學(xué)模式在工科專業(yè)中成為熱點(diǎn)趨勢(shì)[10-11]。理虛實(shí)一體化教學(xué)不僅可以充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，還可以突出學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位。理論知識(shí)、虛擬操作和實(shí)踐操作交替進(jìn)行是實(shí)中有理，理中有實(shí)。理虛實(shí)一體化教學(xué)能夠讓學(xué)生“動(dòng)”起來，主動(dòng)學(xué)習(xí)，提升能力，是一種突出學(xué)生動(dòng)手能力和專業(yè)技能的培養(yǎng)，充分調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)方法。在理虛實(shí)一體化教學(xué)中，教師可以通過教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定，在教師的“教”、學(xué)生的“學(xué)”中構(gòu)建職業(yè)技能培養(yǎng)框架。同時(shí)豐富了課堂的教學(xué)實(shí)踐技能訓(xùn)練，提升了教學(xué)質(zhì)量[12-14]。

《焊接機(jī)器人》課程非常適合應(yīng)用理虛實(shí)一體化教學(xué)理念，既保留了“理實(shí)一體化”教學(xué)模式中學(xué)生“做中學(xué)，學(xué)中做”的熱情，又有效地解決了硬件設(shè)備數(shù)量不足、設(shè)備損壞率高及課堂教學(xué)組織難等教學(xué)實(shí)際中的諸多難題。

2.2 《焊接機(jī)器人》課程理虛實(shí)一體化體系構(gòu)建

理虛實(shí)一體化教學(xué)模式框架以理論知識(shí)講授、虛擬軟件仿真訓(xùn)練和焊接機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐操作的順序?yàn)橹骶€，采用基于生產(chǎn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，使教學(xué)內(nèi)容對(duì)接企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，重點(diǎn)突出虛擬軟件仿真模擬訓(xùn)練，使學(xué)生熟悉操作的全流程，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐操作的貫通、銜接。在任務(wù)實(shí)施過程中，學(xué)生的仿真操作與實(shí)踐操作獨(dú)立完成，通過成果展示進(jìn)行學(xué)生自評(píng)、互評(píng)，得到反饋總結(jié)。具體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 《焊接機(jī)器人》課程教學(xué)改革實(shí)施方案

3.1 根據(jù)新工科背景下人才培養(yǎng)方案，修訂教學(xué)大綱

新工科建設(shè)形勢(shì)下對(duì)焊接專業(yè)課程的教學(xué)模式提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)新的人才培養(yǎng)目標(biāo)，需要新的思維，新體制機(jī)制。因此，修訂了《焊接機(jī)器人》教學(xué)大綱，明確課程教學(xué)改革方向，采用項(xiàng)目式任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法引入新模塊，在新的人才培養(yǎng)方案中將該課程確定為專業(yè)必修課程。要求學(xué)生具有以下能力：①應(yīng)用知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力;②針對(duì)復(fù)雜工程問題的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、研究能力;③使用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力;④團(tuán)隊(duì)合作能力與溝通能力;⑤自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)能力。

3.2 依托新工科新理念，更新教學(xué)內(nèi)容，制定課程目標(biāo)

本項(xiàng)目更新教學(xué)內(nèi)容，首先調(diào)研企業(yè)需求，分析焊接專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)、調(diào)研最新技術(shù)并結(jié)合教材確定教學(xué)內(nèi)容，按學(xué)時(shí)分配各章教學(xué)內(nèi)容;同時(shí)分析現(xiàn)有教學(xué)方法的不足，引入Robotstudio仿真軟件，編制仿真項(xiàng)目，將仿真項(xiàng)目嵌入各章節(jié)中，形成項(xiàng)目式任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，重構(gòu)課程體系，建立焊接新工科模式。實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心、OBE教學(xué)與評(píng)價(jià)、質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。《焊接機(jī)器人》課程教學(xué)內(nèi)容確定流程如圖2所示。

3.3 明確新工科建設(shè)形式，建立項(xiàng)目式“理虛實(shí)一體化”教學(xué)體系

項(xiàng)目式任務(wù)驅(qū)動(dòng)“理虛實(shí)一體化”教學(xué)是以企業(yè)項(xiàng)目為背景，在理論教學(xué)的同時(shí)引入Robotstudio仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真操作，以加深知識(shí)理解，仿真操作達(dá)到要求后進(jìn)行實(shí)踐操作，最后進(jìn)行自評(píng)與互評(píng)及歸納總結(jié)，“理虛實(shí)一體化”教學(xué)過程如圖3所示。

4 結(jié)論

在當(dāng)前“新工科人才”培養(yǎng)思路的啟發(fā)下，為了更好地應(yīng)對(duì)未來工業(yè)4.0以及建設(shè)創(chuàng)新型國家對(duì)人才的需求，針對(duì)《焊接機(jī)器人》課程通過建立新方向、新模塊，更新教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)課程體系，建立“理虛實(shí)一體化”教學(xué)模式，將焊接技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)緊密結(jié)合，理論傳授、虛擬編程與實(shí)踐操作層層相扣，提升教學(xué)效果，改善教學(xué)氛圍，使學(xué)生樂在其中，形成自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

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收稿日期：2020-07-29

基金項(xiàng)目：2020年湘潭大學(xué)第十一批教學(xué)改革研究項(xiàng)目;2019年第二批教育部高教司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201902143004）

作者簡介：陳 宇（1988— ），男，碩士，主要從事焊接技術(shù)與工程專業(yè)的教學(xué)與科研工作。E-mail：chenyu274@xtu.edu.cn。